张弦桁架钢结构雨棚设计

2012-09-04朱丹晖淳于铭张秀山

铁道标准设计 2012年10期

朱丹晖，淳于铭，张秀山

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250022;2.山东省水利勘测设计院，济南 250011)

1 工程简介

聊城火车站位于京九铁路、邯济铁路、聊泰铁路等铁路干线交汇点，为了适应铁路高速发展的需要，提高客运服务质量，铁道部与聊城市联合投资，对聊城火车站进行了改造，新建聊城站无站台柱雨棚工程是其中一项。新建无站台柱钢结构雨棚纵向总长494 m，覆盖水平投影面积为33 455 m2。雨棚采用张弦桁架结构体系、镀铝锌屋面板、铝镁锰板吊顶，整个建筑造型轻盈通透、简洁大方，富有结构美感，建成后实景如图1所示。

图1 聊城火车站无站台柱雨棚实景

2 结构设计概述

张弦钢结构自重较轻，结构构件轻盈，现代感较强，适用于大型公共建筑的屋盖结构、大跨度火车站站台雨棚结构等。随着国民经济的发展和技术的成熟，近年来张弦桁架结构得到了广泛的应用，如北京农展馆新馆屋盖、广州国际会展中心展览大厅钢屋盖、北京北站站台雨棚等。结合建筑造型、安全、经济因素，聊城火车站站台雨棚亦采用了张弦钢管桁架结构。

聊城站站台雨棚位于聊城火车站站房西侧，雨棚采用单跨张弦桁架结构，单榀桁架跨度为65.45 m，跨越3个站台、7股道。雨棚纵向长度494 m，共设28榀钢桁架，桁架标准间距18 m，站房范围内雨棚结构铰接于站房钢筋混凝土柱侧，为了适应站房柱布置，该处桁架间距15、20、21 m 不等(图2，图 3)。

图2 雨棚结构平面(单位:mm)

图3 雨棚横断面(单位:mm)

雨棚的结构体系为单向受力的张弦桁架结构，张弦主桁架铰接于两侧格构柱或钢筋混凝土牛腿上。为了保证主桁架平面外的刚度，避免主桁架纵向偏移，在主桁架间设置次桁架，次桁架上方垂直线路方向安装H形钢钢梁，钢梁作为檩条转换构件，其上沿纵向设置C型钢檩条，檩条间距1.5 m，檩条上覆0.7 mm厚镀铝锌钢板，檩条下挂0.8 mm厚铝镁锰吊顶板。为了实现股道上方露空，以便采光及空气交换，股道上方不设次桁架、H形钢钢梁及C型钢檩条等屋面系统。

图4 张弦桁架截面(单位:mm)

雨棚张弦桁架主梁由倒放三角形钢管桁架、桁架下弦撑杆、预应力钢拉索组成桁架结构横断面如图4所示。根据建筑美观要求及结构安全经济因素，钢桁架矢高取5.0 m，为跨度的1/13，钢管桁架全长等截面，截面高度2 m，宽度为2 m。下弦撑杆水平间距约6.3 m，撑杆上端均铰接于桁架下弦节点位置，下端通过铸钢球节点与预应力钢拉索铰接连接。

张弦桁架拉索选用符合规范《塑料护套半平行钢丝拉索》(GJ3058—96)及《斜拉桥热挤聚乙烯拉索技术条件》(JT/T6—94)要求的高强度低松弛镀锌半平行钢丝束钢索，钢索抗拉强度标准值1 670 MPa，拉索锚具采用冷铸锚。拉索与下弦相交位置设置铸钢相贯节点(图5)，拉索穿过下弦后固定于桁架支座上方三角形桁架形心锚固节点(图6)，从而使得锚索锚定力能均匀的传递到桁架节点，保证了锚固节点的安全。桁架两端通过支座铰接于钢管混凝土柱顶，局部站房位置桁架端部铰接于站房结构牛腿上。为了使得张弦桁架结构受力简单明确，支座设计为标准铰接支座(图7)，支座可自由沿桁架方向转动，支座仅承担轴力，也简化了钢管混凝土格构柱的受力情况，充分利用了张弦桁架结构自我变形调整能力。钢桁架主要构件截面尺寸见表1。

图5 铸钢相贯节点

图6 预应力拉索锚固端

图7 桁架端部支座(单位:mm)

表1 主钢桁架构件截面规格

张弦桁架间采用1 000 mm高倒放正三角形钢管次桁架作为次梁，次桁架间距约6.5 m，并在张弦桁架端部间设置与张弦桁架等高之横向支撑次桁架，以加强结构整体性能。

3 荷载

工程设计使用年限为50年，结构重要性系数为1.0。根据结构受力的实际情况，本工程结构分析计算时考虑的荷载及效应有:恒载、活载、风压、温度效应和地震作用。由于聊城市雪荷载标准值小于活载标准值，故计算时雪荷载不参与组合计算。

3.1 基本数据

(1)恒载0.6 kN/m2，包括屋面檩条、吊顶、管线灯具等荷载，结构自重由程序自动计入。

(2)活载 0.5 kN/m2。

(3)基本风压0.45 kN/m2，建筑场地周围地貌为B类地貌。风压高度变化系数1.25，风振系数1.1。风荷载体型系数根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)中四面开敞式双坡屋面的体型系数取值。

(4)温度效应考虑±30℃。

(5)抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，多遇水平地震影响系数最大值为0.08，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.35 s，建筑结构阻尼比0.035。

3.2 荷载组合

考虑对结构最不利工况进行荷载组合，根据相关规范要求，工程计算考虑以下荷载组合:

(1)1.0D+1.0L;

(2)1.2D+1.4L;

(3)1.2D+1.4Wl;

(4)1.2D+1.4Wr;

(5)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.6Wl;

(6)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.6Wr;

(7)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.8T;

(8)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.8(-T);

(9)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8T+1.4×0.6Wl;

(10)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8T+1.4×0.6Wr;

(11)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8(-T)+1.4×1.0Wl;

(12)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8(-T)+1.4×1.0Wr;

(13)1.2(D+0.5L)+1.3Ex;

(14)1.2(D+0.5L)+1.3Ey;

(15)1.2(D+0.5L)+1.3Ex+1.4×0.2Wl;

(16)1.2(D+0.5L)+1.3Ex+1.4×0.2Wr;

(17)1.2(D+0.5L)+1.3Ey+1.4×0.2Wl;

(18)1.2(D+0.5L)+1.3Ey+1.4 ×0.2Wr。

注:以上组合中D表示恒载(包括自重)，L表示活载，Wl、Wr分别表示左风和右风，T、-T分别表示升温和降温，Ex、Ey分别表示x、y向地震作用。

4 结构计算分析

4.1 结构计算

张弦桁架结构计算的关键在于确定钢拉索的初始索力。一般通过控制主桁架下弦垂直位移在荷载标准组合(1.0D+1.0L)下的位移值来确定合适的初始索力，同时保证钢拉索在其他荷载组合作用下均保持一定的拉力，且拉索最大拉应力不应超过拉索应力设计值的40%。

本工程采用有限元分析软件Midas/Gen Ver7.1.2进行计算，建立三维空间模型(图8)，并对其进行几何非线性分析，计算时桁架下弦控制位移为桁架跨度的1/600(规范要求为L/300)，位移最大值约为109 mm，允许10 mm误差，拉索最大拉力设计值为6 525 kN。通过多次试算，最终确定初始索力为1 400 kN，标准组合下桁架下弦最大位移为115 mm，拉索工作状态下最小拉力为964 kN，最大拉力为2 210 kN，满足控制条件。

图8 三维空间有限元计算模型

4.2 抗震分析

抗震分析采用振型分解反应谱法，考虑双向水平地震作用，反应谱函数为China(GB50011—01)，振型数量为9个。结构前3个振型的自振周期第1振型1.19 s，第2 振型 0.97 s，第3 振型 0.91 s。

结构自振主振型为上、下垂直振动，张弦桁架下部索面外的摆动较小，在地震作用下，结构安全，结构设计满足抗震要求。

分析计算结果表明，由于采用了合理的结构设计方案，结构保持了很好的整体稳定性。

结构设计安全，满足相关规范要求。

5 拉索张拉施工

本工程在屋面H形钢钢梁及檩条安装完毕后进行张拉施工，通过程序中读取该工况下拉索拉力及弦杆位移来确定拉索张拉监测数据。施工张拉力可在控制索力的基础上变动±10%，保证张弦桁架上弦在恒载和自重作用下的挠度控制在设计允许范围之内(本工程恒载及自重作用下设计允许挠度为80 mm)，实际观测结构竖向位移可变范围±15%，同时控制各榀之间相对位移控制为±10 mm。施工监测数据反馈控制索力及位移均在设计允许范围内。

目前该工程已竣工并投入使用，极大改善了聊城火车站的客运设施条件及服务水平，提升了聊城市的城市形象。